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光通信原理主讲教师：刘岚岚光通信原理任课教师：刘岚岚教材：《光通信导论》吴重庆编著清华大学出版社主要参考教材：1.《光纤通信系统》顾婉仪,李国瑞北京邮电大学出版社2.《光纤通信导论》邱昆电子科技大学出版社E-mail:[e-mail]电话：516882002011年中国国际信息通信展览会时间：2011年9月26日-9月30日地点：北京中国国际展览中心全球规模最大的ICT展览会之一，亚洲规模最大、最具影响力的世界级信息通信展。2011年是十二五规划开局之年，新一代信息技术被确立为我国七大战略性新兴产业之一。2011年中国国际信息通信展览会(PT/EXPOCOMMCHINA2011)将围绕新一代信息技术，聚焦下一代网络、物联网、三网融合、高性能集成电路、高端软件等领域的最新成果。年中国国际信息通信展览会信息通信服务和应用；信息通信交换、传输技术与设备；通信终端设备及配套产品；3G/超3G移动通信技术及设备；宽带电信业务与电信增值服务；宽带无线接入；智能终端；下一代网络（NGN）、下一代互联网（NGI）、网络电视、网络游戏、IPTV、手机视频、互动娱乐产品及服务；行业信息化应用和解决方案；二维码技术；数码、音频、视频、存储技术及产品；计算机硬件设备与软件产品；数据通信与网络技术及相关产品；电信管理系统；光通信、光纤光缆；汽车电子；RFID；物流信息化技术与设备；通信电源、仪器仪表、通信机房用品、办公自动化设备；信息家电、家庭网络、数字化家庭；通信电子元器件；通信终端配件；其它信息通信配套产品；信息通信科研、设计、建设施工、咨询、统计、投资内容及产品等。光纤通信的概念光通信的概念光通信是利用光波来传送信息的。通信技术电通信光通信根据使用的电磁波频率范围分类：有线通信无线通信光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输介质的光信息传输技术。LASER通信是通过某种媒体进行的信息传递。引言一、光纤通信发展的历史和现状二、光纤通信的优点和应用一、1.探索时期的光通信•在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。•1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。•1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。•原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。2现代光纤通信指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。光纤发明人高锟CharlesK.Kao论文：《光频介质纤维表面波导》1966（Dielectric-FiberSufaceWaveguideforOpticalFrequency)提出：制造石英光纤可实现光纤通信指出三点：•光纤的容量很大•高纯石英光纤的损失可低达20dB/km•单模光纤的原理构造高锟——光纤之父光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章2009年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。1970年，光纤研制取得了重大突破•1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。•1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。•1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。•1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。•在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。1970年康宁研制出低损失光纤Corning的3位科学家Dr.DonalKeck,Dr.BobMaurer,Dr.PeterSchultz于1970年研制出低损失光纤.光纤长度(米)29,28.1损失(dB/km)17,18.2芯直径(微米)3.7(单模)(Dr.Keck的实验室记录)1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展•1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。•1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。•1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。•1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。•1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55μm的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑实用光纤通信系统的发展•1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。•1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。•1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。•1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。•随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。•第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：•第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。•第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。•第三阶段(1986~)，这是以超大容量、超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。31976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85μm发展到1.31μm和1.55μm(短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。（1）中国最早从事光纤通信研究机构中科院福州物质结构研究所1972年开始—1975年下马武汉邮电科学研究院1973年开始4光纤通信在我国的情况1976年“邮电工业学大庆”展出光纤传输黑白电视邮电部长钟夫翔参观“邮电工业学大庆”展览会亲自验证光纤通信是否真实光纤通信成为邮电部重点科研项目发收实验装置提供单位：光纤:中科院硅酸盐所,武汉院激光器:上海光机所系统:武汉院（2）我国厂商分布结构我国的光纤生产企业主要以合资为主，包括武汉长飞、上海朗讯、西古、武汉邮科院（烽火通信）、武汉NEC、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、杭州富通、江苏法尔胜等，光纤年生产能力约为700万公里。我国的光缆生产起步较早，生产技术较为成熟。目前我国光缆厂家已超过150家，年生产能力超过50万公里，供给规模约为35万公里。中国光缆产业正在逐步走向成熟，并已达到国际先进水平。（3）我国光纤通信技术的发展方向新一代光纤及其系统发展超高速商用系统大力发展光接入网部分超大容量WDM系统IPoverSDH与IPoverOptical光器件将继续发展最终实现光联网二、光纤通信的优点和应用1.光通信与电通信通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点载波频率高；频带宽度宽（图1）光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。图1部分电磁波频谱100THz10THz1THz100GHz10GHz1GHz100MHz10MHz1MHz1m可见光线10m100m1mm10mm100mm1m10m100m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线光纤作为传输介质的优势拐弯：全反射一八七○年英国物理学家丁达尔光纤作为传输介质的优势拐弯：全反射光纤的结构芯包层树脂被覆层cin1n2n0优势与问题2.光纤通信的优点•容许频带很宽，•损耗很小，中继距离很长且误码率很小•重量轻、体积小•抗电磁干扰性能好•泄漏小，•节约金属材料，有利于资源合理使用3.光纤通信的应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：①通信网②构成因特网的计算机局域网和广域网③有线电视网（CATV）的干线和分配网数字机顶盒(STB-SetTopBox)，宽带双向的多媒体通信网。④综合业务光纤接入网ATMInternet骨干网DDN/FRPSTN/ISDNTV业务分配节点(COT)业务接入节点（RT）网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构某大学网络中心典型应用之二：作为校园网的骨干传输网某校网络中心维护光纤通信器件的发展过程•雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年贝尔的光电话激光器(发送源）光纤(传输介质)1960Maiman发明红宝石激光器1962半导体激光器诞生(GaAs870nm)70年代室温工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD单模LD1951医用玻璃纤维(损耗1000dB/km)1966高锟理论预言1970康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发单模光纤•光纤通信系统的发展历程光纤通信追求目标:大容量、长距离技术发展：短波长-长波长、多模光纤-单模光纤、多模激光器-单模激光器通信系统容量：比特率-距离积BL，B比特率，L中继距离每秒钟传输的比特数目。光纤通信技术的发展大体上可分为：工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模单模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm单模单模2.5Gb/s～10Gb/s100Km光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第四代90年代1550nm单模单模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（环路）1500Km光放大系统第五代1550nm单模单模波分复用WDM单路速率:40,160,640Gb/s信道数:8,16,64,128,1022超长传输距离:27000Km(Loop)